微波技术基础电子科大第15次课

1、微波技术基础詹铭周 副教授电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼B336 电话：61830860 电邮：回顾回顾l分布参数电路传输线微元化电报方程电压波电流波表达式三种端接条件l传输线的分布参数传输线的特性参数传输线的工作参数l传输线的三种工作状态内容内容l0、行驻波特性、行驻波特性l1、均匀、均匀有耗线的特性有耗线的特性l2、功率与损耗、功率与损耗l3、有耗线理论的应用有耗线理论的应用l4、有耗、无耗线的对比有耗、无耗线的对比l5、均匀波导等效为传输线均匀波导等效为传输线(掌握等效的掌握等效的依据和原则依据和原则)5.6.3 5.6.3 行驻波状态行驻波状态最普遍的部分反射情况最普

2、遍的部分反射情况产生条件：传输线终端为产生条件：传输线终端为一般负载一般负载，即，即波的分布状态：传输线上既有行波又有驻波，称为行波的分布状态：传输线上既有行波又有驻波，称为行 驻波。波节不为零，波腹也不等于终端入射波振幅的驻波。波节不为零，波腹也不等于终端入射波振幅的 两倍，反射波小于入射波。两倍，反射波小于入射波。行驻波状态下，有行驻波状态下，有 LLLZRjX00LLLLLRjXZRjXZ 2202201LLLLLRZXRZX1022202LLLLZ XtgRXZRL0XL0时，时，RLZ0传输线的工作状态传输线的工作状态行行驻波状态驻波状态(2)( )112cosLjzj zj zLL

3、LLLLV zU eeUeUz (2)( )112sinLjzj zj zLLLLLLI zI eeIeIz max1LLVU max1LLII min1LLVU min1LLII l因此电压电流的表达式为：因此电压电流的表达式为：注意：与行波、注意：与行波、驻波的差别驻波的差别由形式似乎看出：由形式似乎看出：前一部分是行波，而后一部分是全驻波。前一部分是行波，而后一部分是全驻波。z00UII,Z =R +XlllUUUmaxmin 行 波 部 分 驻 波 部 分11S 1S min44Lggl 行驻波状态下的工作参量行驻波状态下的工作参量 000LinLZjZ tgzZzZZjZ tgz2L

4、jzLe 01L 电压驻波比电压驻波比S的物理意义是电压振幅最大值与最小值的物理意义是电压振幅最大值与最小值之比。它应大于等于之比。它应大于等于1。对于行波为，对于全驻波为。对于行波为，对于全驻波为无穷大。电压驻波比无穷大。电压驻波比S是是系统参量系统参量，而不是线上各点而不是线上各点的函数。的函数。负载阻抗与驻波系数，驻波相位的关系式为负载阻抗与驻波系数，驻波相位的关系式为minmin1LCjStg lZZSjtg l波腹处波腹处，输入阻抗为，输入阻抗为波节处波节处，输入阻抗为，输入阻抗为maxmax00min01111LLVVZZZ SIVZ minmin0max011LLVVZZSIVZ

5、 行驻波状态下沿线电压电流振幅分布行驻波状态下沿线电压电流振幅分布l特点：l电压电流分纯驻波分布完全相似lRLjXL的情况与jXL类似lRLZo与开路类似lRLS(z), 无耗线的无耗线的S与距离与距离z无关无关221( )11( )1zLzLzeSze 思考题：思考题：有耗线与无耗线相比，驻波系有耗线与无耗线相比，驻波系数是增大了还是减小了？数是增大了还是减小了？10203040506070809001003. 23. 43. 63. 84. 04. 24. 44. 64. 83. 05. 0lVSW R 1衰减常数为衰减常数为0.02NP/m的有耗的有耗线在端接线在端接10欧姆负欧姆负载时

6、，传输线长度载时，传输线长度从从1mm到到100mm的驻波变化情况：的驻波变化情况：53.2负载阻抗与驻波系数，驻波相位的关系式为负载阻抗与驻波系数，驻波相位的关系式为minminminmin1LCjS lthlZZS ljthl每个波腹处每个波腹处，输入阻抗为，输入阻抗为每个波节处每个波节处，输入阻抗为，输入阻抗为 22maxmax0022min01111zzLzzLVeeVZZZ S zIeVeZ 2minmin02max011zLzLVeVZZS zIVeZ min?S l此时，通过测试最大最小电压法测试此时，通过测试最大最小电压法测试麻烦，麻烦，一般不用损耗大的线作为测试一般不用损耗大

7、的线作为测试系统系统传输线上任意一点处得输入阻抗传输线上任意一点处得输入阻抗 工程应用的方便，关心长度为工程应用的方便，关心长度为l的有耗传输线的有耗传输线 终端短路终端短路 终端开路终端开路一种有耗传输线特性阻抗的测量方法一种有耗传输线特性阻抗的测量方法 1. 1. 测出其终端短路的始端输入阻抗测出其终端短路的始端输入阻抗 ； 2. 2. 测出其终端开路的始端输入阻抗测出其终端开路的始端输入阻抗 。 3. 3. 00001( )( )1( )LinLZZ th zzZzZZZZ th zz0scinZZ th l0LZ LZ 0ocinZZ cth l)()(0ocinscinZZZ( )s

8、cinZ( )ocinZ5.7 有耗传输线的特性分析有耗传输线的特性分析 注意是复数注意是复数有耗线的传播常数有耗线的传播常数( )1( )scinocinZjarcthZ5.7 有耗传输线的特性分析有耗传输线的特性分析由于开路和短路输入阻抗是复数，将其展开为由于开路和短路输入阻抗是复数，将其展开为实部和虚部，可得衰减常数和相位常数。实部和虚部，可得衰减常数和相位常数。提供了一种微波测试的依据，来测试微波传输提供了一种微波测试的依据，来测试微波传输线的特性参数。线的特性参数。5.8 传输功率与传输效率5.8.1 5.8.1 传输功率传输功率 传输线上任一点z通过功率的时间平均值 1Re2P z

9、V z I z011Re( )( )( )( )2VzVzVzVzZ2022011Re( ) 1( )1( )211Re( )1( )2( ) sin22LVzzzZVzzjzzZ 还可以表示为还可以表示为222max0011( )22VP zVZSZ S 5.8 传输功率与传输效率2201( )( )1( )2P zVzzZ ( )( )irP zP z通过功率等于入射波功通过功率等于入射波功率与反射波功率之差。率与反射波功率之差。传输功率的击穿功率，或称为传输线的功率容量传输功率的击穿功率，或称为传输线的功率容量结论：结论：线上耐压一定时，驻波系数越小传输功率越大，功率线上耐压一定时，驻波

10、系数越小传输功率越大，功率容量也越大。容量也越大。22brbroUPZ S20(1)dPPe传输线有耗，但终端接匹配负载，如输入端传输功率为，则经过线传输线有耗，但终端接匹配负载，如输入端传输功率为，则经过线长的传输后，消耗在有耗线中的功率为长的传输后，消耗在有耗线中的功率为5.8 传输功率与传输效率l5.8.2传输效率传输线的传输效率定义为负载吸收的功率和传输线输入功率之比，即 LoPP2201(1)2LLLPUZ 2200001(1)2PVZ 222201()2llLLUeeZ 5.8 传输功率与传输效率因此，传输效率为因此，传输效率为22221LLllOLPPee 1112()22chl

11、SshlS或或当当，有耗传输线的，有耗传输线的效率最大且为效率最大且为 le25.8 传输功率与传输效率l利用有耗线的损耗特性。l应用之一，pi型或T型衰减网络l网络之间如果驻波很差，引起电路之间失配，能量传输效果差，对有源器件，特别是放大器自激。l利用有耗线理论，AB之间插入损耗网络C，此时，发射系数减小，电路达到稳定。l以功率损耗换取电路的稳定性，比用隔离器简单，便宜。N1N2ABCR1R2R2ZcZcATT23456789110- 3. 4- 3. 2- 3. 0- 2. 8- 2. 6- 3. 6- 2. 4f req, G HzdB(S(1,1)dB(S(2,1)2345678911

12、05. 00000005. 00000005. 00000005. 00000005. 0000000f req, G HzVSW R123456789110-9-8-7-6-10-5f req, G H zdB(S(1, 1)dB(S(2, 1)234567891102. 00356592. 00356592. 00356592. 00356592. 0035659f req, G H zVSW R 1虽然传输的能量减小了虽然传输的能量减小了3dB，但是反射的能量却减小了，但是反射的能量却减小了6dB，VSWR明显改善明显改善l有耗线与无耗线之对比例题例题5.8-2已知的是负载条件去已知的是

13、负载条件去求，注意符号求，注意符号222loUseZ5.9均匀导波系统等效为均匀传输线均匀导波系统等效为均匀传输线 等效的依据和条件等效的依据和条件1、传输线电路理论、传输线电路理论TEM波波电压和电流电压和电流。2、把均匀到波系统等效为用电压电流描述的传输线，必须把、把均匀到波系统等效为用电压电流描述的传输线，必须把。3、TEM波波导（同轴，双导线等）是双导体系统，波波导（同轴，双导线等）是双导体系统，单值单值的电压电流的的电压电流的确存在确存在电场积分求电压波，磁场积分得电流波（电场积分求电压波，磁场积分得电流波（与积分路径无与积分路径无关关）进而定义进而定义特性阻抗（行波电压特性阻抗（行

14、波电压/行波电流）行波电流）4、对于传播、对于传播TE、TM波的波导系统波的波导系统不存在不存在TEM波传输线上那样的波传输线上那样的单单值值电压波和电流波。电压波和电流波。TM模，在壁面上，对横向电场积分为零；对模，在壁面上，对横向电场积分为零；对TE模，线积分与积分路径有关（多值性）模，线积分与积分路径有关（多值性）那么，不能等效？那么，不能等效？还是只能在一定条件下等效？还是只能在一定条件下等效？对一般导波系统而论，其电压和电流只能在一一定条件下等效定条件下等效而得，而且只有形式上的意义。为利用传输线理论而人为引入的电压和电流参数。 寻求定义等效电压和等效电流及寻求定义等效电压和等效电流

15、及阻抗的依据阻抗的依据l将将无耗单模导波系统无耗单模导波系统中中传播的场传播的场与与无耗均匀传无耗均匀传输线输线上的上的行波电压和行波电流行波电压和行波电流具有的特性做比具有的特性做比较。较。l由此可见，导波系统中的传播模的横向电场和横向磁由此可见，导波系统中的传播模的横向电场和横向磁场具有类似于均匀传输线上的电压波和电流波的性质。场具有类似于均匀传输线上的电压波和电流波的性质。*11ReRe22j zj zttttsctwtzEUeeHIPEH dsPUIUZ IEZ Ha 建立：矢量参数建立：矢量参数标量参数的联系标量参数的联系内涵：功率的对应关系，内涵：功率的对应关系，电场与磁场的幅度对

16、应电场与磁场的幅度对应关系。关系。由功率相等：由功率相等：阻抗关系阻抗关系 取值具有任意性，取值具有任意性，只要满足功率条只要满足功率条件即可件即可实用中的主要有两种取法。实用中的主要有两种取法。波导系统中的波导系统中的TE，TM模的等效参量模的等效参量lTE模l无耗导波系统中TE模的场分量的一般表达式为波导系统中的波导系统中的TE的等效参量的等效参量波导系统中的波导系统中的TM的等效参量的等效参量lTM模l无耗导波系统中TM模的场分量的一般表达式为波导系统中的波导系统中的TM的等效参量的等效参量波导系统中的波导系统中的TM的等效参量的等效参量以以TE10模为例：模为例：l取作为等效传输线的特

17、性阻抗l如果模式电压取（TE10模的电场沿波导宽边中心积分得到的）l则模式电流为10cTEbZZa0j zUE be1000j zj zcTEE bE aIeeZZ等效电压波电流与电磁场的功率等效电压波电流与电磁场的功率关系关系不相等不相等!怎么解决怎么解决?l为了保证路方法和场方法的功率相等为了保证路方法和场方法的功率相等l在选择在选择作为传输线等效特性阻抗作为传输线等效特性阻抗的时候，模式电压和模式电流为的时候，模式电压和模式电流为l这样，一段工作在单模的均匀导波系统等效为一对均匀传输线这样，一段工作在单模的均匀导波系统等效为一对均匀传输线的情况，可表示为的情况，可表示为10cTEbZZa

18、100022j zj zTEE beE aUIeZ或或特性阻抗的选取特性阻抗的选取具有任意性。具有任意性。模式电流模式电流验证模式电压和模式电流满足传输线方程验证模式电压和模式电流满足传输线方程 能不能把阻抗等效为能不能把阻抗等效为1 ，这时，是否没有反射？这时，是否没有反射？问题：这样等效之后，问题：这样等效之后，在参考面处的电压波和在参考面处的电压波和电流波就不连续了电流波就不连续了思考。思考。l能不能把阻抗等效为能不能把阻抗等效为1 ，这时，是否没有反射？，这时，是否没有反射？l_l两段传输线的电压电流的表达式变化了。两段传输线的电压电流的表达式变化了。l事实上可以这样做，该方法称为归一化等效，在算两事实上可以这样做，该方法称为归一化等效，在算两段不同的传输线的时候，就必须去归一化。段不同的传输线的时候，就必须去归一化。l一般，同一系统，最好采用同一种等效方法。一般，同一系统，最好采用同一种等效方法。思考：当多个模